Science：我国科学家确定了一个参与作物耐盐碱性的关键基因

在一项新的研究中，来自中国多个研究机构的研究人员确定了一个参与作物耐盐碱性的关键基因，通过基因工程技术，该基因可能会大大提高作物在钠环境下的产量。相关研究结果发表在2023年3月24日的Science期刊上，论文标题为“A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops”。

目前，世界上有超过10亿公顷的盐碱地，其中约60%被归类为高度盐碱化的土壤。因此，开发抗盐碱的作物是一个紧迫的全球挑战。然而，植物的耐盐碱性还没有得到很好的研究。

高粱（sorghum）起源于非洲的恶劣环境，与其他主要作物（如小麦、水稻和玉米等）相比，高粱对多种非生物胁迫的耐受性已经进化得更强。与一些盐生植物（halophytes）一样，高粱甚至可以在pH值高达10.0的盐碱土壤中生存。

在这项新的研究中，这些作者首先在一组多样化的高粱中进行了全基因组关联研究，并确定了一个重要的基因座位，即AT1（Alkaline tolerance 1），它编码一种非典型的G蛋白γ亚基并控制耐盐碱性。AT1基因在其他植物中也有同源物；它在水稻中被命名为GS3。

进一步的实验证实，at1/gs3等位基因产生一种C端截短蛋白，有助于产生负面的耐盐碱性效果，而敲除AT1/GS3（其中GS3是AT1在水稻中的直系同源基因）保守地增加了包括高粱、小米、水稻和玉米在内的单子叶植物作物对盐碱性胁迫的耐受性。

AT1基因修饰提高了耐盐碱性胁迫能力。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.ade8416。

他们发现，活性氧平衡中的水通道蛋白PIP2s可能参与了Gγ蛋白信号传导。遗传和细胞生物学分析表明，Gγ负向调节PIP2;1的磷酸化，水通道蛋白的磷酸化可以调节H₂O₂的流出，导致在盐碱性胁迫条件下植物的活性氧水平下降。

为了评估AT1/GS3基因在作物生产中的应用，在盐碱地中进行了田间试验。他们发现，包括高粱、小米、水稻和玉米在内的一些单子叶植物的非功能性AT1/GS3突变体在盐碱土壤中生长时，可以比未经过基因改造的对照组在生物量或产量方面显著提高作物的田间表现。

总之，这些作者发现一种非典型的Gγ亚基通过调节环境胁迫下的H₂O₂外流来负向调节盐碱性胁迫。

论文共同通讯作者、中国科学院遗传学与发育生物学研究所的Xie Qi教授说，“我们发现了一种‘明星’G蛋白的分子机制，它在控制植物胁迫反应及其下游分子水通道蛋白在H₂O₂输出中发挥了新的作用。”

除了揭示一种具有生态学意义的分子机制外，这项新的研究对于指导边缘地区耐碱盐作物的育种具有巨大的潜力。通过这种方式，它可能为全球粮食安全作出贡献，因为全世界有超过10亿公顷的盐碱地。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Huili Zhang et al. A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops. Science, 2023, doi:10.1126/science.ade8416.

2. Novel gene discovery points way to better alkaline tolerance in crops
https://phys.org/news/2023-03-gene-discovery-alkaline-tolerance-crops.html